基于物联网的智能防盗报警系统.docx

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基于物联网的智能防盗报警系统基于物联网的智能防盗报警系统摘要随着社会的进步发展，人们的生活水平日益提高，物质财富加速积累，人们对优质防盗系统的需求日渐增多。

与此同时，为了进一步规X住宅小区智能化建设，必须加快发展家庭智能防盗系统的开发与应用。

本系统为家庭智能防盗报警系统，它基于EB2530核心板开发而成，包括主控设备和传感设备。

传感设备利用红外热释电传感器探测闯入信号，并通过zigbee无线通信协议发送信息给主控设备，主控设备通过串口与PC机相连，通过上位机显示报警信息来与时通知业主有人闯入监控区。

同时，该系统可以通过OLED显示屏与蜂鸣器等与时显示报警信息并发出警报。

本文基于无线传感技术的物联网智能家庭防盗系统，实现了智能化，无线化。

改善了昔日传统家庭防盗系统可靠性差、易受损、失效快、维护困难、成本高、功耗大等问题，经济实用，是一套完整可行的系统。

关键词无线传感网络zigbee低功耗cc2530AbstractWiththeprogressofthesocietydevelopment,peoplesstandardoflivingisincreasingdaybyday,thematerialwealthaccumulatefast.Thedemandforhighqualitysecuritysystemismuchmoreeager.Atthesametime,inordertostandardizetheintelligentresidentialdistrictconstruction,wemustspeedupthedevelopmentofhomeintelligentanti-theftsystem.Thissystemforthehomeintelligentsecurityalarmsystem,whichisbasedonEB2530board,includethemaincontroldeviceandsensingdevice.Sensingdeviceusetheinfraredpyroelectricsensortodetectthesignals,andtosendinformationtothemasterdevicethroughthezigbeewirelesscommunicationprotocol,maincontroldevicesareconnectedtothePCviaaserialport,andinformtheownersomeonewasbrokenintomonitoringareathroughPCdisplayalarminformation.Atthesametime,thesystemcanusetheOLEDyandbuzzertoshowthealarminformationintime.OnthebasisofwirelesssensortechnologyinZigbee,thehouseholdIntelligentanti-theftsystembecomesintelligentialized,wireless,economicalandpracticalfromunreliable,vulnerable,shortvalidity,difficulttomaintain,highcost,largepowerconsumption,etc.Thissystemisdesignedtobecomprehensiveandpractical.Keywords:

wirelesssensornetwork；Zigbee;low-powerconsumption;cc2530第第1章章绪论绪论基于物联网的智能家庭防盗警报系统在现代智能化建筑中起着重要的安全保障，可有效保障户主家庭的财产安全。

随着传感器技术，无线通信技术，集成电子技术的发展，智能家庭防盗报警系统迎来了发展的良机。

1.1研究背景和研究意义研究背景和研究意义随着社会的发展，家庭的防盗问题就显得尤为重要。

传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫在实际使用中暴露出一些隐患，正如国务院下达的关于住宅小区禁止安装防盗网的建议中指出，防盗网带来的问题：

影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供便利的翻越条件；时间久了会有高空坠物的危险；压抑人性自由。

所以作为新一代的智能家居安全防盗报警器系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。

另外，为了进一步规X住宅小区智能化建设，建设部特别制定了智能小区的等级标准，按照其要求智能小区中必须具有安全防X、信息管理、物业管理和信息网络等系统。

因此小区安全防盗系统建设已逐渐纳入许多小区建设的必备项目中了。

以XX为例，几乎所有新建的住宅楼盘都预装了防盗系统，并禁止安装防盗网，而XX、XX、XX、XX等地更是花费重金拆除了防盗网，其防盗功能则必须由电子防盗系统来完成。

1.2国内外智能防盗系统现状国内外智能防盗系统现状1984年世界上第一座智能大厦在美国诞生，很快掀起一股“智能建筑”热潮。

在短短的十几年中美国、日本、欧洲的几万座智能大厦纷纷建成，美国1986年成立了“智能建筑协会”，其中会员横跨17个国家，并宣布1995年以后要大幅度增加智能型大楼的比例。

日本建设省1985年成立了国家智能建筑专业委员会，对智能建筑的发展给予政策上的支持，使日本在智能建筑上成为发展非常快的国家。

据统计，日本新建的建筑物中60%以上是智能型的。

进入90年，英国、法国、加拿大、瑞典等国家都相继建成一批有自己特色的智能建筑。

美国犹他州emWare公司最近开发成功一项全新理念的安防技术，可使上班的人们透过Internet来监控自家住宅的安全，用户只要在计算机运行的网络测览器软件中用鼠标点击一下，即可使用该技术达到监控的目的。

据称，该系统的软件除了可以控制门锁外，还可控制家中的恒温设备、安全设备、娱乐设备等，甚至可用于监护住在家中的病人。

我国智能建筑的建设始于1990年，的发展大厦可谓是我国智能建筑的雏形，随后建成了燕莎中心、XX商城、XX世贸中心、XX禄口机场等一批具有一定智能化的建筑。

我国智能住宅与智能小区虽然起步比较晚，但发展速度确实很快。

以、XX、XX、XX等较发达的城市为龙头在近几年内形成了一股智能化住宅热。

目前，公安部、建设部均要求智能住宅小区必须具有安防系统。

可以预见，智能住宅、智能小区将成为未来建筑业的发展主流。

特别是在我国，随着人们生活水平的日益提高，住宅小区的智能化程度将成为评价住宅小区的重要指标。

1.3智能防盗系统技术发展趋和前景智能防盗系统技术发展趋和前景目前，在安防报警系统中所使用的探测器的弊端，其探测方式主要是探测环境物理量和状态的变化，这种探测方式从本质上不具备识别探测目标的视频监控能力。

因此，安防报警监控系统会因为某些意外的情况或受环境因素的影响而触发，从而发生误报警。

为此，安防报警系统的入侵探测器采用了多个探测元、多技术复合探测以与智能化的数据分析等方法，这些，确实使探测器的性能和功能有了很大的提高，也降低了误报警，但这并未从根本上解决问题。

所以，对于风险等级和防护级别较高的场合，安防报警系统必须采用多种不同探测技术组成入侵探测系统来克服或减小由于某些意外的情况或受环境因素的影响而发生误报警，同时加装音频和视频装置，当防区有异常情况时，启动音频和视频系统，对报警防区进行现场监控并且发出语音报警。

探测元的结构的改进：

典型的是被动红外探测器的探测元结构。

多元红外探测器利用不同元的几何位置差与光学系统（菲涅尔镜组）的光学调制作用的配合，产生抑制干扰的作用。

以双元为例：

由于两个元的几何位置的差异，在其接收来自同一个（运动的）目标的热辐射能量时，就会出现有一个辐度差（接收能量的大小）和相位差（时间上的顺序）。

将两个元这样的输出作差分处理就可以提高探测的灵敏度。

同时，由于环境因素的干扰（主要是背景温度的变化）对于两个元来讲是相同的，因而没有差分的输出，也就起到了抑制作用。

探测技术的组合：

将两种不同原理的探测技术组合起来，使其在性能上互补，这是有效的方法，这就是所谓的双鉴探测器。

它的出现是探测技术发展的一个重要阶段，是探测器智能化的开始，成为当前高档入侵探测器的主流产品。

微波被动红外成为了应用最多的双技术探测器。

目前市场上有一种三鉴技术之说，它把探测器信号的智能处理作为一鉴，并不是三种探测技术的组合，其实还是双鉴探测器。

1.4研究的重点和难点研究的重点和难点本文所讲系统基于zigbee协议栈设计而成，系统中包含一个主控模块、一个传感模块。

重点和难点在于：

1）协调器与终端之间、协调器与pc机之间通信的建立；2）传感器与时有效的捕捉闯入信息；3）系统通过屏幕显示与发出警报来通知业主；作为防盗报警系统，采集闯入信息、驱动报警电路、有效降低误报警几率等也是本设计的重点。

第第2章章整体方案的设计整体方案的设计2.1系统功能与组成系统功能与组成现今社会，人民生活水平日益提高，随着个人财产的日益增多，人们对于家庭财产安全的关注度也日益提高，身边一起起的盗窃案无时无刻不给人们敲响警钟，家庭防盗的必要性逐渐显现出来。

本文所讲的家庭智能防盗报警系统可以检测到闯入者，并将防盗信息实时通过报警电路发出警报、OLED屏显示等方式传达给业主，有效保障业主生命财产安全。

原理系统主要由三大部分组成：

无线终端设备、无线集中器、外围报警显示电路。

系统总体框图如图2-1所示：

图2-1系统总体框图2.2方案比较分析方案比较分析2.2.1防盗探测器的选择方案一：

热释电红外传感器。

凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰等物体都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。

人体的温度为3637,可辐射出中心波长为910m的红外线。

在硅片表面上贴上截止波长为710m的滤光片，只允许波长超过710m的红外线通过，而小于7m的红外线被滤除掉，于是就得到只对人体敏感的热释电红外线传感器。

造价便宜，电路简单，适合本设计使用。

方案二：

超声传感器。

超声波穿透性较强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强。

当有人站在传感器前时，由于人体的反射，在接收电路中将检测到信号，这个信号被放大后，输入到单片机中进行判别报警。

但是超声传感器驱动电压较高，一般100Vp-p到1500Vp-p之间，在很多低压设备上需要脉冲变压器升压，但也会随之带来一些复杂问题。

并且，由于考虑其较为高昂的造价，因此并不适用于本设计。

方案三：

多普勒传感器。

当波源与观测者之间相对运动时，引起波的频率的改变，这种现象称之为多普勒效应。

利用多普勒效应可以制成多普勒效应传感器。

当人体或物体相对于传感器移动时，反射回来的信号与原信号间产生频移，集成电路再把微弱的频移信号进行放大，再经多普勒检测、放大、限幅等措施，最后取得和物体移动信号响应相关的直流输出电平。

虽然多普勒传感器灵敏度高，体积较小等优点，但是其同时有互换性差，信号随温度变化，非线性输出的缺陷，并不适用于本设计。

方案比较：

经过对比上述三种烟雾传感器的应用特性，发现红外热释电传感器具有本身不发任何类型的辐射、器件功耗很小、隐蔽性好、价格低廉等优点，并且其本身具有较强的抗干扰能力，可有效降低报警系统的误报警率。

下面具体介绍其抗干扰能力：

（1）防小动物干扰：

探测器安装在推荐的使用高度，对探测X围内地面上的小动物，一般不产生报警。

（2）抗电磁干扰：

探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。

（3）抗灯光干扰：

探测器在正常灵敏度的X围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。

因此，本设计采用红外热释电传感器作为防盗探测采集部分的核心。

而在众多半导体传感器中，本设计选用HC-SR501传感器，该型号的传感器不但具备一般红外热释电传感器的特性，而且其具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长的优点。

2.2.2传感网络协议选择方案一：

采用Zigbee协议，IEEE802.15.4标准，是针对低速无线个人区域网络制定的标准。

该标准以低功耗、低速率传输、低成本为重点目标，为家庭X围内不同设备之间的低速无线互联提供统一标准。

它的通讯速率分别为250kb/s，40kb/s和20kb/s三种，在我国是采用250kb/s的速率，可以组成星型等网络拓扑结构，设备的短地址为16bit，扩展地址为64bit，低功耗，低速率，而且带有能量检测和链路识别功能。

方案二：

采用蓝牙协议，1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司5家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化时提出了蓝牙（Bluetooth）技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本传输应用技术。

它的工作频段是2.402GHz2.480GHz，通信距离10m左右，数据传输速率为1Mb/s，远大于zigbee的传输速率，密钥是以8bit为单位增减，最大长度为128bit；但是由于蓝牙的高功耗，使其注定不能长期工作，不适用于防盗报警系统。

经过比较：

zigbee更适合于本系统，其低功耗，低成本，大大提升了本系统相对于传统防盗系统的优势。

2.3ZigBee介绍介绍2.3.1ZigBee的网络拓扑结构ZigBee网络拓扑结构主要有星形网络和网型网络。

不同的网络拓扑对应于不同的应用领域，在ZigBee无线网络中，不同的网络拓扑结构对网络节点的配置也不同，网络节点的类型：

协调器、路由器和终端节点，具体配置根据需要决定。

1如图2-2所示。

图2-2ZigBee的网络拓扑结构图2.3.2ZigBee网络设备类型网络协调器：

包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。

发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。

全功能设备（FFD）：

可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。

附带由标准指定的全部功能和所有特征。

更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。

也能用作终端设备精简功能设备（RFD）：

RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。

附带有限的功能来控制成本和复杂性。

在网络中通常用作终端设备。

ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。

RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

2ZigBee设备类型如表2-1所示。

表2-1ZigBee设备类型表设备类型拓扑类型可否成为协器通话对象全功能设备（FFD）星形，树形，网状可以任何ZigBee设备简化功能设备（RFD）星形不可以只能与协调器通话2.3.3ZigBee网状（MESH）网络ZigBee网状网络如图2-3所示。

图2-3ZigBee网状网络MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。

Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。

通过以上ZigBeeMesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。

协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。

构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD）。

ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。

AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。

节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。

它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。

当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。

AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种与时的方式更新网络拓扑。

AODV操作是无环回的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。

32.3.4ZigBee协议栈1ZigBee协议的体系结构ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。

每一层为其上层提供特定的服务：

即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。

每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。

ZigBee协议的体系结构如图2-4所示：

4图2-4ZigBee协议的体系结构图每一层为它的上层提供一套特定的服务。

每一个服务实体通过一个服务访问点（SAP）为上层提供服务。

图2-4中各层的作用如下：

（1）物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。

物理层内容：

ZigBee的激活；当前信道的能量检测；接收链路服务质量信息；ZigBee信道接入方式；信道频率选择；数据传输和接收。

（2）介质接入控制子层（MAC）MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。

MAC层功能：

网络协调器产生信标；与信标同步；支持PAN（个域网）链路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；处理和维护保护时隙（GTS）机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

（3）网络层（NWK）ZigBee协议栈的核心部分在网络层。

网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找与传送数据等功能。

网络层功能：

网络发现；网络形成；允许设备连接；路由器初始化；设备同网络连接；直接将设备同网络连接；断开网络连接；重新复位设备；接收机同步；信息库维护。

（4）应用层（APL）ZigBee应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。

应用支持层的功能包括：

维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。

ZigBee设备对象的功能包括：

定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。

ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。

ZigBee应用层除了提供一些必要函数以与为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

（5）应用程序框架（AF）运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象，并且遵循规X（profile）运行在端点1240上。

在ZigBee应用中，提供2种标准服务类型：

键值对（KVP）或报文（MSG）ZigBee设备对象（ZDO）：

远程设备通过ZDO请求描述符信息，接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象获取相应描述符值。

另外，ZDO提供绑定服务。

52.Z-Stack体系架构Z-Stack由main（）函数开始执行，main（）函数共做了2件事：

一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操作系统6，如图2-5所示：

图2-5main函数流程图3.Z-Stack操作系统执行过程Z-Stack操作系统是基于优先级的轮转查询式操作系统，执行流程图如图2-6所示：

图2-6Z-Stack操作系统流程图2.4系统方案设计系统方案设计总体系统设计方案如下：

当有人闯入监控区域时，红外热释电传感器迅速捕捉闯入信号，将信息通过点对点的方式由终端节点传给协调器，协调器接收到信号后，对信号进行分析处理，点亮OLED屏，在屏幕上显示“危险”字样，并开启蜂鸣器，以提示有入侵者闯入。

与此同时，协调器再向所有终端节点发送广播信号，终端节点在收到信号后，使继电器吸合，联通外围报警照明电路。

将协调器通过串口与PC机相连，通过串口调试助手，可看到COM端收到内容为“危险”的信号。

当感应区内没有人时，OLED重新显示为“安全”状态，终端继电器断开，外围报警照明电路断开。

以上即是整个防盗系统工作流程。

第第3章章硬件设计硬件设计系统硬件电路包括主控设备和传感设备，硬件电路总体框图如图3-1所示。

图3-1硬件电路总体框图3.1主控设备电路主控设备电路主控设备框图如图3-2所示：

图3-2主控设备框图主控设备接受来自传感设备的信息并控制蜂鸣器和OLED显示屏。

3.1.1EB2530核心板电路主控设备的核心组成部分是EB2530核心板，下面着重介绍EB2530核心板。

作为主控设备的核心，EB2530核心板集成了CC2530无线传输芯片，支持zigbee传输协议，集成度高，功耗低，运行速度快。

1.CC2530最小模块介绍CC2530最小模块体积小（3.6*2.7cm），重量轻，引出全部IO口，标准2.54排针接口。

可直接应用在万用板或自制PCB上。

模块使用2.4G全向天线，可靠传输距离达250米。

自动重连距离高达110米。

7CC2530最小模块电路图如图3-3所示：

图3-3CC2530最小模块电路图2.EB2530核心板底板电路底板电路的设计主要是增强ZigBee的使用性，加入一些按键和LED的功能，其自带的usb转串口芯片可方便用户调试。

串口通讯：

自带USB转串口功能（PL-2303）,方便笔记本用户。

供电方式：

方口USB。

功能接口：

Debug接口，兼容TI标准仿真工具，引出所有I/O口，常用的串口引脚以与5V/3.3V引脚。

功能按键：

1个复位，2个普通按键。

LED指示灯：

电源指示灯、组网指示灯和普通LED。

图3-4为底板电路原理图：

图3-4EB2530底板电路原理图3.1.2OLED显示电路显示模块用来显示警报信息以通知用户有人闯入监控区。

本文中显示模块采用OLED显示屏。

OLED显示屏如图3-5所示：

图3-5OLED显示屏1.OLED显示屏介绍OLED，即有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode），又称为有机电激光显示（OrganicElectroluminesenceDisplay,OELD）。

OLED由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度X围广、构造与制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。

8LCD都需要背光，而OLED不需要，因为它是自发光的。

这样同样的显示，OLED效果要来得好一些。

以目前的技术，OLED的尺寸还难以大型化，但是分辨率确可以做到很高。

在本设计中，我们使用的是ALINETEK的OLED显示模块，该模块有以下特点：

模块有单色和双色两种可选，单色为纯蓝色，而双色则为黄蓝双色。

尺寸小，显示尺寸为0.96寸，而模块的尺寸仅为27mm*26mm大小。

高分辨率，该模块的分辨率为128*64。

多种接口方式，该模块提供了总共5种接口包括：

6800、8080两种并行接口方式、3线或4线的串行SPI接口方式、IIC接口方式。

不需要高压，直接接3.3V就可以工作了。

但是应当注意的是，该模块不和5.0V接口兼容，不能直